Сокращение выбросов углерода с целью предотвращения изменения климата требует разработки новых технологий устойчивого и возобновляемого производства биотоплива. Молекулярный водород считается одним из наиболее перспективных энергоносителей из-за его высокой плотности энергии и чистого, безуглеродного использования. Исследовательская группа из Университета Турку, Финляндия, открыла эффективный способ преобразования солнечной энергии в химическую энергию биоводорода посредством фотосинтеза зеленых водорослей, которые функционируют как клеточные фабрики.
Во время фотосинтеза зеленые водоросли используют собранную солнечную энергию для расщепления воды, выделения кислорода в атмосферу и производства биомассы, которая служит отличным сырьем для голубого биоперерабатывающего завода.
Зеленые водоросли также являются эффективными биокатализаторами и могут преобразовывать солнечную энергию и углекислый газ непосредственно в различные ценные соединения, такие как витамины, антиоксиданты, полимеры и углеводы.
«Когда клетки водорослей сначала инкубируют в анаэробных условиях в темноте, а затем выставляют на свет, они начинают эффективно вырабатывать водород, но, к сожалению, только на несколько секунд, - говорит руководитель исследовательской группы Ягут Аллахвердиева. Ринне, доцент кафедры молекулярной биологии растений Университета Турку.
Исследователи уже на протяжении десятилетий считают, что основным препятствием для долговременного производства водорода водорослями на свету является разрушение фермента гидрогеназы, ключевого элемента в этом процессе, которое вызывается кислородом.
«Поскольку водоросли постоянно выделяют кислород в процессе фотосинтеза, который происходит одновременно с выработкой водорода, поддержание анаэробных условий в освещенных культурах было особенно проблематичным», - говорит старший научный сотрудник Сергей Косоуров, член исследовательской группы.
Новый и экологически устойчивый метод производства биоводорода
Исследователи из Университета Турку решили применить знания, полученные в результате фундаментальных исследований фотосинтеза водорослей, и создали новый метод получения водорода, который не подвергает зеленые водоросли дополнительному пищевому голоданию и, таким образом, не применяя любое значительное напряжение к клеткам.
Исследователи показали, что производство водорода может быть значительно увеличено путем простого воздействия на анаэробные культуры водорослей серии сильных, но коротких световых импульсов, которые прерываются более длительными периодами темноты.
В этих условиях культуры водорослей, подвергающиеся воздействию солнечного света, не накапливают кислород в среде. Кроме того, водоросли направляют электроны, образующиеся в результате разложения воды и заряженные солнечным светом, на производство водорода вместо накопления биомассы. Процесс длится, по крайней мере, несколько суток, а максимальная скорость образования водорода приходится на первые восемь часов», - говорит Косоуров.
Исследование ясно показало, что основным препятствием для эффективного производства водорода является не кислород, а сильная конкуренция между двумя метаболическими путями: фиксация углекислого газа, ведущая к накоплению биомассы, и фермент гидрогеназы, катализирующий фотопродукцию водорода.
Исследование открывает новые возможности для строительства эффективных заводов живых клеток для производства биотоплива и различных химикатов непосредственно из солнечного света, углекислого газа и воды. Исследование дает важную информацию о том, как избежать «траты» солнечной энергии -приведенная энергия в производстве биомассы и как использовать эту энергию непосредственно для производства полезных биопродуктов», - говорит Аллахвердиева-Ринне.
Новый метод, разработанный исследователями, ценен как для фундаментальных исследований фотосинтеза водорослей, так и для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ промышленного сектора при создании новых технологий крупномасштабного производства углеродно-нейтрального биотоплива.